چكيده فارسي :
سابقه و هدف: بهبود خواص مواد پليمري از نظر مقاومت در برابر آتش گيري و افزايش پايداري گرمايي همواره مورد توجه مراكز علمي و صنعتي بوده است. پلي لاكتيك اسيد (PLA) به واسطه تركيب شيميايي و ساختار مولكولي همانند اكثر پليمرها آتش گير است. استفاده از پركننده هاي نانومتري ميتواند نقش مفيدي در بهبود پايداري گرمايي و ديرسوزي پلي لاكتيك اسيد ايفاء كند . پژوهش حاضر با هدف بررسي تأثير نانوكريستال سل ولز و نانورس بر خواص گرمايي و رفتار
آتش گيري فيلم هاي پلي لاكتيك اسيد طراحي شده است. مواد و روش ها: فيلم هاي PLA و نانوكامپوزيت هاي آن با استفاده از روش قالب گيري حلال ساخته شد. براي بهبود سازگاري و اختلاط پذيري با پليمر، نانوكريستال سلولز با اسيد اولئيك و ارد واكنش شده و اصلاح شد. ابتدا PLA در 100 ميلي ليتر كلروفرم حل و به طور پيوسته در دماي اتاق هم زده شد. سپس نانو ذرات سلولز و رس با نسبتهاي وزني مختلف ( 0 و 3 درصد) در كلروفرم پخش شده
و به مدت 30 دقيقه در معرض امواج فراصوت عمل آوري شدند. در ادامه محلول پلي لاكتيك اسيد و
سوسپانسيون نانوذرات با يكديگر مخلوط و براي اطمينان از پراكنش يكنواخت، تحت تيمار فراصوتي
دوباره قرار گرفتند. سرانجام محلول حاصله به درون قالب هاي تفلوني ريخته و پس از تبخير شدن
حلال، فيلم ها از سطح قالب جدا و در داخل آون قرار داده تا كاملاً خشك شوند. سپس، براي ارزيابي خواص گرمايي و آتش گيري فيلم ها، دماي ذوب، دماي تبلور، درجه بلورينگي، مقدار حرارت آزاد
شده، زمان سوختن، مقدار كاهش وزن و شاخص اكسيژن حدي نمونه ها اندازه گيري شد. بدين منظور از آزمونهاي گرماسنجي روبشي تفاضلي (DSC) و گرماسنجي مخروطي استفاده شد. يافته ها: نتايج آزمون گرماسنجي روبشي تفاضلي مشخص كرد كه با افزودن نانو ذرات، دماي ذوب،
دماي تبلور و درجه بلورينگي افزايش يافت. آزمون گرماسنجي مخروطي آشكار ساخت كه وجود
نانوكريستال سلولز در ماده زمينه پليمري موجب كاهش افت وزن و مقدار حرارت آزاد شده كامپوزيت ها نسبت به PLA خالص مي شود. در حاليكه زمان سوختن با افزودن نانوكريستال سلولز افزايش مييابد. همچنين ذرات نانورس با تشكيل لايه زغال كربني روي سطح فيلم ها سبب كندي
فرايند سوختن و به تأخير انداختن تخريب گرمايي آنها ميشود. روند كاهش شاخص اكسيژن حدي
در اثر حضور همزمان دو نوع پركننده نانومتري به حفاظت از قسمتهاي داخلي كامپوزيت در اثر
تشكيل سپر گرمايي در سطح و كاهش دامنه حركتي زنجيره هاي پليمري نسبت داده شد.
نتيجه گيري: يافته هاي اين پژوهش نشان داد كه استفاده جداگانه از هريك از نانو ذرات سلو لز و رس
نقش مؤثري در بهبود خواص گرمايي و ديرسوزي فيلم هاي پلي لاكتيك داشته است. همچنين بالاترين
پايداري گرمايي در نانوكامپوزيت هاي حاصل از حضور همزمان 3 درصد نانوكريستال سلولز و 3
درصد نانورس مشاهده شد. اين اطلاعات مي تواند نقش مهمي در طراحي نسل جديدي از
ديرسوزكننده هاي دوستدار محيط زيست و نانوكامپوزيت هاي پليمري زيست تخريب پذير ايفاء كند.
چكيده لاتين :
Background and objectives: Improvement of polymeric materials properties, in
terms of flammability resistance and thermal stability has always been interested in
the scientific and industrial sectors. Polylactic acid (PLA) is also flammable like
other polymers to its own intrinsic chemical composition and molecular structure.
The use of nanoscale fillers can play a useful role in improving the thermal stability
and flame retardancy of PLA. This research was designed to investigate the effect
of cellulose nanocrystal and nanoclay on thermal properties and fire behavior of
PLA films.
Materials and methods: PLA and PLA-based nanocomposite films were
fabricated using a solvent casting method. In order to improve the compatibility
and miscibility of the whole system with respect to PLA matrix, cellulose
nanocrystal was treated with oleic acid. Firstly, the PLA was dissolved in 100 mL
of chloroform while mixing vigorously at room temperature. Then, the cellulose
nanocrystal and nanoclay with different loads (0 and 3 wt %) were dispersed in
chloroform solvent by sonication for 30 min. The nanoparticles suspension was
mixed with the PLA solution by sonicator for achievement of dispersion
homogeneity. Finally, the dissolved solution was poured onto a leveled Teflon film
and then allowed to evaporate solvent. The resultant film was peeled from the
casting surface, and then the samples were dried in an oven. For evaluating the
thermal and fire properties of films, melting temperature, crystallization
temperature, degree of crystallinity, heat released rate, time to ignition, mass loss
rate and limiting oxygen index were measured. To meet this objective, the
differential scanning calorimetry (DSC) and cone calorimetry were used.
Results: DSC results found that with incorporation of nanoparticles, the melting
temperature, crystallization temperature and degree of crystallinity increased. Cone
calorimetry test revealed that, the presence of cellulose nanocrystal in the polymer matrix decreased the mass loss rate and heat release rate compared to those of pure
PLA. However, the time to ignition increased with the increase of cellulose
nanocrystal loading. Moreover, the formation of carbonaceous chars from nanoclay
on the surface of the films which reduces the burning process and delay the thermal
degradation. Furthermore, the reduction of limiting oxygen index with the presence
of both nanofillers is attributed to protect the underlying composites by formation
of a char shield on the surface and the limitation of polymer chains mobility.
Conclusion: The findings showed that the usage of each cellulose nanocrystal and
nanoclay individually, has an effective role in improving the thermal and fire
properties of PLA films. Furthermore, it was found that the highest thermal
stability was attained by incorporating 3% cellulose nanocrystal and 3% nanoclay
in composite formulation. This knowledge has an important role to design the new
generation of environment-friendly flame retardant and biodegradable polymer
nanocomposites.
